СОВРЕМЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДВОЙНОМУ БЕТА-РАСПАДУ
description
Transcript of СОВРЕМЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДВОЙНОМУ БЕТА-РАСПАДУ
СОВРЕМЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДВОЙНОМУ БЕТА-РАСПАДУ
А.С. Барабаш
Институт теоретической и экспериментальной физики
План доклада
Введение Лучшие сегодняшние
эксперименты (NEMO-3, CUORICINO)
Эксперименты следующего поколения
Заключение
I. Введение 0+ _______ ////// 100Tc 0+_______ /////// 100Mo
0+ ______ 2+ ______ 0+ _____ ////// 100Ru
Qββ= 3.033 MeV
100Mo 100Ru + 2e-
100Mo 100Ru + 2e- + χ0
100Mo 100Ru + 2e- + 2ν
Experimental signature:
2 electronsE1+ E2 =Q
NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY
Безнейтринный двойной бета-распад тесно связан со следующими фундаментальными аспектами физики элементарных частиц:
- несохранение лептонного числа; - ненулевая масса нейтрино и ее природа (Dirac or Majorana?); - существование правых токов в электрослабом взаимодействии; - существование майорона; - структура хиггсовского сектора; - суперсимметрия; - тяжелое стерильное нейтрино; - существование лептокварков.
Осцилляционные эксперименты Нейтрино имеет массу!!!
Однако, осцилляционные эксперименты не могут решить вопрос о природе массы (Dirac or Majorana? ) и не дают информацию об абсолютной шкале масс (так как измеряется m2).
Эта информация может быть получена в экспериментах по изучению 2-распада
<m> = Uej2 eijmj
Двойной бета-распад чувствителен не только к массе нейтрино, но и значениям элементов матрицы смешивания и к значениям СР фаз j.
Чем интересны эксперименты по 2β-распаду?
Несохранение лептонного числа (L=2) Природа массы нейтрино (Dirac or Majorana?). Абсолютная шкала масс (величина или предел на m1). Тип иерархии (нормальная, обратная, квази-вырожденная). CP нарушение в лептонном секторе.
Лучшие современные результаты по поиску безнейтринного двойного бета-распада
Ядро T1/2, лет <m>, эВ
QRPA’07
<m>, эВ
SM’07
Эксперимент
76Ge > 1.91025
≈ 1.21025 (?)≈ 2.21025(?)> 1.61025
< 0.22-0.41≈ 0.28-0.52 (?)≈ 0.21-0.38(?)<0.24-0.44
< 0.69≈ 0.87 (?)≈ 0.64(?)< 0.75
HMPart of HMPart of HM’06IGEX
130Te >31024 < 0.34-0.57 < 0.75 CUORICINO
100Mo >5.81023 < 0.81-1.28 - NEMO
136Xe >4.51023 < 1.41-2.67 < 2.2 DAMA
82Se >2.11023 < 1.40-2.17 < 3.4 NEMO
116Cd >1.71023 < 1.45-2.76 < 1.8 SOLOTVINO
2(0) decay
DBD and neutrino mass hierarchy
Degenerate: can be tested
Inverted: can be tested by next generation of 2 experiments.
Normal: inaccessible (new approach is needed)
Двухнейтринный двойной бета-распад
Второй порядок по слабому взаимодействию Прямое измерение ЯМЭ! - Единственная возможность проверки качества расчетов ЯМЭ !!!; - gpp (параметр QRPA модели ЯМЭ(0)!)
Очень важно измерить этот тип распада для
многих ядер и различных процессов (2-, 2+, K+, 2K, возбужденные состояния) с хорошей точностью.
Двухнейтринный двойной бета-распад В настоящее время 2(2) зарегистрирован в
11 ядрах: 48Ca, 76Ge, 82Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd, 128Te, 130Te,
150Nd, 238U; [130Ва – 2К(2)]
Для 100Mo and 150Nd 2(2) переход на 0+ возбужденное состояние тоже зарегистрирован
Главная цель: прецизионное изучение этого распада
II. Современные эксперименты
NEMO-3 и CUORICINO Другие эксперименты (TGV, Баксан, DAMA, COBRA, ИТЭФ-TPC, возбужденные состояния,…)
CuoricinoCuoricino
11 modules4 detectors each
Dimension: 5x5x5 cm3
Mass: 790 g
11 modules4 detectors each
Dimension: 5x5x5 cm3
Mass: 790 g
2 modules 9 detectors each,
Dimension: 3x3x6 cm3
Mass: 330 g
2 modules 9 detectors each,
Dimension: 3x3x6 cm3
Mass: 330 g
Total mass40.7 kg
Total mass40.7 kg
Cuoricino result on Cuoricino result on 130130Te Te nn decay decay
Anticoincidence background spectrum the bb-0nregion
CLy %90100.3 240
2/1
CLy %90100.3 240
2/1
CLeVm %9075.034.0 CLeVm %9075.034.0
Maximum Likelihood flat background + fit of 2505 peak
b = 0.18 ± 0.01 c/keV/kg/y b = 0.18 ± 0.01 c/keV/kg/y
Total statistic 11.8 kg (130Te) × yTotal statistic 11.8 kg (130Te) × y
Cou
nts
Energy [keV]
60Co sum peak60Co sum peak0-DBD peak @2530.3 keV0-DBD peak @2530.3 keV
(NME: MEDEX07 + SM07)
Чувствительность эксперимента CUORICINO за 3 года измерений
T1/2 ~ 5·1024 лет <mν> ~ 0.26-0.58 эВ
Что еще? 1) 2 распад 130Те; 2) 2 распад на 0+
возбужденное состояние
3 m
4 m
B (25 G)
20 sectors Source: 10 kg of isotopes cylindrical, S = 20 m2, 60 mg/cm2
Tracking detector: drift wire chamber operating in Geiger mode (6180 cells)Gas: He + 4% ethyl alcohol + 1% Ar + 0.1% H2O
Calorimeter: 1940 plastic scintillators coupled to low radioactivity PMTs
Magnetic field: 25 GaussGamma shield: Pure Iron (18 cm)Neutron shield: borated water (~30 cm) + Wood (Top/Bottom/Gapes between water tanks)
The NEMO3 detector Fréjus Underground Laboratory : 4800 m.w.e.
Able to identify e, e, and
Sector interior view
isotope foils
scintillators
PMT
calibration tube
cathode rings wire chamber
Calibration source
207Bi 2e– (IC) lines ~0.5 ,~1 MeV 90Sr 60Co
100Mo 6.914 kg Q= 3034 keV
decay isotopes in NEMO-3 detector
82Se 0.932 kg Q= 2995 keV
116Cd 405 g Q= 2805 keV
96Zr 9.4 g Q= 3350 keV
150Nd 37.0 g Q= 3367 keV
Cu 621 g
48Ca 7.0 g Q= 4272 keV
natTe 491 g
130Te 454 g Q= 2529 keV
measurement
External bkg measurement
search (All enriched isotopes produced in Russia)
100Mo foil
100Mo foil
Transverse view
Longitudinal view
Run Number: 2040Event Number: 9732Date: 2003-03-20
Geiger plasmalongitudinalpropagation
Scintillator + PMT
Deposited energy: E1+E2= 2088 keVInternal hypothesis: (t)mes –(t)theo = 0.22 nsCommon vertex: (vertex) = 2.1 mm
Vertexemission
(vertex)// = 5.7 mm
Vertexemission
Transverse view Longitudinal view
Run Number: 2040Event Number: 9732Date: 2003-03-20
Criteria to select events:• 2 tracks with charge < 0• 2 PMT, each > 200 keV• PMT-Track association • Common vertex
• Internal hypothesis (external event rejection)• No other isolated PMT ( rejection)• No delayed track (214Bi rejection)
Trigger: at least 1 PMT > 150 keV
3 Geiger hits (2 neighbour layers + 1)
Trigger rate = 7 Hz events: 1 event every 2.5 minutes
Typical 2 event observed from 100Mo
events selection in NEMO-3
(Phase I: Feb. 2003 – Dec. 2004)
T1/2 = 7.11 0.02 (stat) 0.54 (syst) 1018 y
100Mo 22 result
7.37 kg.y
Cos()
Angular Distribution
219 000 events6914 g
389 daysS/B = 40
NEMO-3
100Mo
E1 + E2 (keV)
Sum Energy Spectrum
219 000 events6914 g
389 daysS/B = 40
NEMO-3
100Mo
Background subtracted
• Data22 Monte Carlo
• Data22 Monte CarloBackground subtracted
Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 182302
932 g389 days
2750 eventsS/B = 4
48Ca
82Se
82Se T1/2 = 9.6 0.3 (stat) 1.0 (syst) 1019 y
116Cd T1/2 = 2.8 0.1 (stat) 0.3 (syst) 1019 y
150Nd T1/2 = 9.7 0.7 (stat) 1.0 (syst) 1018 y
96Zr T1/2 = 2.0 0.3 (stat) 0.2 (syst) 1019 y
48Ca T1/2 = 3.9 0.7 (stat) 0.6 (syst) 1019 y
130Te T1/2 = 7.6 ± 1.5 (stat) ± 0.8 (syst) 1020 y (new!)
100Mo-
100Ru(0+1) T1/2 = 5.7+1.3
-0.9 (stat) ± 0.8 (syst) 1020 y
Background subtractedBackground subtracted
22 results with other nuclei results with other nuclei
NEMO-3 is 2(2)-decay factory!!!
534 days, 454 g of 130Te
109 events607 events
background subtracted
130Te (preliminary)
Other interesting results using information obtained with 2-decay of 100Mo
SSD mechanism is confirmed for 2 decay of 100Mo [Phys.At.Nucl. 69(2006) 2090]
“Bosonic” properties of neutrino1) is checked:
- pure “bosonic” neutrinos are excluded;
- conservative upper limit sin2 <0.6 is obtained [A.S. Barabash, A.D. Dolgov, R. Dvornicky, F. Simkovic and A.Yu. Smirnov, Nucl.Phys. B 782 (2007) 90. ]
1) A. Dolgov and A. Smirnov, PL B621 (2005) 1
Single electron spectrum100Mo)
T1/2 = 7.11 0.02 (stat) 0.54 (syst) 1018 yPhys. Rev. Lett. 95 (2005) 182302
SSD model confirmed
HSD, higher levels contribute to the decay
SSD, 1 level dominates in the decay (Abad et al., 1984, Ann. Fis. A 80, 9)
100Mo
0
100Tc
1
Simkovic, J. Phys. G, 27, 2233, 2001
Single electron spectrum different between SSD and HSD
Esingle (keV)
SSD simulation
HSD
5,01 кg.yE1 + E2 > 2 МeV
2/ndf = 254 / 42
SSD
2/ndf = 42,3 / 42
5,01 кg.yE1 + E2 > 2 МeV
The normalized distribution of the total energy of two electrons 100Mo(0+
g.s. ) 100Ru(0+g.s.)
[A.S. Barabash, A.D. Dolgov, R. Dvornicky, F. Simkovic and A.Yu. Smirnov, Nucl.Phys. B 782 (2007) 90. ]
Large admixture of bosonic is excluded: sin2 < 0.6
100Mo, Phase I + II, 693 days
expected in 2009: T1/2 > 2 x 1024 (90 % CL)
<m> < 0.4 – 0.7 eV
T1/2 > 5.8 x 1023 (90 % CL) <m> < 0.8 – 1.3 eV
82Se ,Phase I + II, 693 days
T1/2 > 2.1 x 1023 (90 % CL)
<m> < 1.4-2.2 eV
T1/2 > 8 x 1023 (90 % CL)
<m> < 0.7-1.1 eV
Collaboration decided to perform blind analysis with mock data Plan to open the box and update the results ~ summer 2008
and once again at the end of the experiment ~ early 2010.
00 search ( search (L = 2L = 2))
V+A * n=1 ** n=2 ** n=3 ** n=7 **
Mo >3.2∙1023
<1.8∙10-
6
>2.7∙1022 gee<(0.4-
1.8)∙10-4
>1.7∙1022 >1.0∙1022 >7∙1019
Se >1.2∙1023 2.8∙10-6
>1.5∙1022 gee<(0.7-
1.9)∙10-4
>6∙1021 >3.1∙1021 >5∙1020
* PI+PII data** PI data, R.Arnold et al. Nucl. Phys. A765 (2006) 483
best limits
n: spectral index, limits on half-life in years
Majorons and V+A currents
III. Эксперименты следующего поколения
Основная цель: достижение чувствительности ~ 0.01-0.1 эВ Стратегия: - исследование нескольких изотопов (>2-3) ; - использование разных методик
Эксперименты, которые будут реализованы в ближайшие ~5-10 лет
CUORE (130Te, низкотемпературный детектор)
GERDA (76Ge, HPGe детектор) MAJORANA (76Ge, HPGe детектор) EXO (136Xe, TPC + Ba+) SuperNEMO (82Se, 150Nd, трековый
детектор)
(NME from MEDEX’07 and SM’07)
Experiment nucleus mass (kg) status start T1/2(y) <m> eV Location Expected bkg
(cts/keV/y/kg)
CUORE 130Te 200 accepted + R&D ~2011 2.1· 1026 0.04-0.09 Gran Sasso 0.01 ~2011 6.5· 1026 0.02-0.05 Gran Sasso 0.001
GERDA 76Ge 40 accepted + R&D ~2009 2 1026 0.07-0.21 Gran Sasso 0.001
1000 ~2011 6·1027 0.01-0.04 0.00025·MAJORANA 76Ge 60 R&D ~2009 1.6·1026 0.08-0.24 SNO 0.00025
1000 R&D ~2011 6·1027 0.01-0.04
EXO 136Xe 200 accepted + R&D ~2008 6.4·1025 0.12-0.18 WIPP 0.0006
1000 ~2011 2·1027 0.02-0.033 10-6
SuperNEMO 82Se ~ 100-200 R&D ~2011 2 1026 0.04 –0.11 LSM, Can Franc 10-5
150Nd
SUMMARY TABLE
Резонансный ЕСЕС(0) захват R. Winter, Phys. Rev. 100 (1955) 142 на возбужденное состояние М. Волошин, Г. Мицельмахер, Р. Эрамжян, Письма в
ЖЭТФ, 32 (1982) 530 на основное состояние J. Bernabeu, A. De Rujula, C. Jarlskog, Nucl. Phys. B 223
(1983) 15) теоретически исследован 112Sn (предсказан
фактор усиления ~ 106! ) Z. Sujkowski and S. Wycech, Phys. Rev. C 70 (2004)
052501 реанимировали идею
Изотопы-кандидаты
Ядро A,% M, кэВ E*, кэВ EK EL2
74Se 0.89 1209.7±2.3 1204.2(2+) 11.1 1.2378Kr 0.35 2846.4±2.0 2838.9(2+) 12.6 1.4796Ru 5.52 2718.5±8.2 2700(?) 20 2.86106Cd 1.25 2770±7.2 2741.0(1,2+) 24.3 3.33112Sn 0.97 1919.5±4.8 1871.0(0+) 26.7 3.73130Ba 0.11 2617.1±2.0 2608.4(?) 34.5 5.10136Ce 0.20 2418.9±13 2399.9(1+,2+
2392.1(1+,2+
37.4 5.62
162Er 0.14 1843.8±5.6 1745.7(1+) 53.8 8.58
Первые эксперименты
74Se T1/2(0;L1L2) > 5.5·1018 y
(A.S.B. et al., Nucl. Phys. A (2007) 371)
112Sn T1/2(0;KK) > 1.6·1018 y
(COBRA Collaboration, nucl-ex/0709.4342)
Показана возможность увеличения чувствительности до ~ 1026 лет (<m> < 0.1 эВ)
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Серьезные успехи достигнуты в изучении 2-распада (NEMO-3).
2. Современный консервативный экспериментальный предел на <mν> из экспериментов по поиску 2β-распада составляет ~ 0.75
эВ.
3. NEMO-3 и CUORICINO будут продолжать набор данных до ~ 2010 года и достигнут чувствительности ~ (0.3-0.6) эВ.
4. GERDA-I, MAJORANA-I, CUORE-0, SuperNEMO-I и EXO-200 – первые результаты появятся в 2009-2010 г. (<mν> ~ 0.1-0.2 eV в ~ 2012 г.)
5. Новое поколение экспериментов позволит достичь чувствительности
к <mν> на уровне ~ (0.01-0.1) эВ в ~ 2012-2015 г.
Дополнительные слайды
Used five 76Ge crystals, with a total of 10.96 kg of mass, and 71 kg-years of data.1/2 = 1.2 x 1025 y (4.2 σ)0.24 < m < 0.58 eV (± 3 sigma)(NME from Eur. Lett. 13(1990)31)
A Recent Claim
There are some problems with this result:
Klapdor-Kleingrothaus H V, Krivosheina I V, Dietz A and Chkvorets O, Phys. Lett. B 586 198 (2004).
1) Only one measurement. 2) Only ~4σ level (independent analysis gives even ~ 2.7σ).3) In contradiction with HM’01 and IGEX.4) Moscow part of Collaboration: NO EVIDENCE.5) 214Bi peaks are overestimated. 6) “Total” and “analyzed” spectra are not the same.
“2β community”: very conservative reaction
In any case new experiments are needed, which will confirm (or reject) this result
Mod.Phys.Lett. A21(2006)1547
Old data, new pulse shape anal.1/2 = 2.23+0.44
-0.31 x 1025 y (6 σ) m = 0.32 ± 0.03 eV n = 11±1.8 events where is a statistical error?! non-correct peak position?!
Recommended values for half-lives:Recommended values for half-lives:
• 48Ca - (4.2 +2.1-1.0)1019 y
• 76Ge – (1.5 0.1)1021 y
• 82Se – (0.92 0.07)1020 y
• 96Zr – (2.0 0.3)1019 y
• 100Mo – (7.1 0.4)1018 y • 100Mo – 100Ru (0+
1) – (6.2+0.9
-0.7)1020 y
• 116Cd – (3.0 0.2)1019 y
• 128Te(geo) – (2.5 0.3)1024 y
130Te(geo) – (0.9 0.1)1021 y • 150Nd - (7.8 0.7)1018 y
• 150Nd – 150Sm (0+1) –
(1.4+0.5-0.4)·1020 y
• 238U(rad) - (2.0 0.6)1021 y
ECEC(2):
• 130Ba(geo) - (2.2 0.5)1021 y
The half-life of 130Te has been a long-standing mystery:
Geochemical experiments: (26 ± 2.8) x 1020 years (Kirsten 83) (27 ± 1) x 1020 years (Bernatowicz 93)
(7.9 ± 1) x 1020 years (Takaoka 96) ~8 x 1020 years (Manuel 91)
Difference between ‘old’ and ‘young’ ores due to time dependence of constants..? [A.S.B. JETP Lett. 68 (1998) 1]
Using geochemical ratio of 82Se/130Te and present half-life value for 82Se from direct experiments:
(9 ± 1) x 1020 years (recommended value, A.S.B. 2001) Direct measurement: [6.1 ± 1.4 (stat)+2.9
-3.4 (syst)] x 1020 years (Arnaboldi 2003)
CUORE
70 cm
Array of 988 crystals: 19 towers of 52 crystals/tower.
M = 0.78 ton of TeO2
Search for 0 DBD of 130TeQ = 2529 keVNatural isotopic abundance [130Te] = 34.08%Therefore, isotopic enrichment is unnecessay
Phases of GERDA Phase I: Use of existing 76Ge-diodes from Heidelberg-Moscow
and IGEX-experiments 17.9 kg enriched diodes ~15 kg 76Ge Background-free probe of KKDC claim
Phase II: Adding new segmented diodes (total: ~40 kg 76Ge) Demonstration of bkg-level <10-3 counts/(kg·keV·y)
If KKDC claim not confirmed: Goal: O(1 ton) experiment in worldwide collaboration
(cooperation with Majorana)
GERDA design
Cleanroom Lock
Water tank (650 m3 H2O)
Cryostat (70 m3 LAr)
GERDA design
Germanium-detector array
Vacuum-insulated double wall stainless steel cryostat
Additional inner copper shield
Liquid argon
GERDA sensitivity
assumed energy resolution:
E = 4 keV
Background reduction!!!
phase II
phase I KKDC claim
Phases and Physics reach of GERDA world-wide collaboration for Phase-III; coop. with MAJORANA started
Phase-II
Phase-III
Phase-I
10-1/(keV·kg·y)
10-2/(keV·kg·y)
10-3/(keV·kg·y) 6·1027
EXO (Enriched Xenon Observatory)USA-RUSSIA-CANADA
136Xe → 136Ba++ + 2e- (E2β = 2.47 MeV)
Main idea is: to detect all products of the reaction with good
enough energy and space resolution (M.Moe PRC 44(1991)931)
1 ton EXO
- Liquid (gas) Xe TPC + Ba+ tagging- 1 ton of 136Xe (80% enrichment)- ΔE/E(FWHM) = 3.8% at 2.5 MeV
(ionization and scintillation readout)- Background (5 y) = 1 event- Sensitivity (5 y): 2·1027 y ( <mν> ~
0.05-0.08 eV)
EXO-200 (without Ba+ tagging) 200 kg of 136Xe (80% enrichment) – exist! Possible location: WIPP (USA) ΔE/E(FWHM) = 3.8% at 2.5 MeV (ionization
and scintillation readout) Background (5 y) = 40 events Sensitivity (5 y): 6.4·1025 y ( <mν> ~ 0.25-
0.47 eV) Is under construction now (at Stanford) Start of measurements: in ~ 2008
SuperNEMO preliminary design
Plane geometry
Top view Side view
Source (40 mg/cm2) 12m2, tracking volume (~3000 channels) and calorimeter (~1000 PMT)
Modular (~5 kg of enriched isotope/module)
5 m
1 m
4 m
100 kg: 20 modules ~ 60 000 channels for drift chamber ~ 20 000 PMT
From NEMO-3 to SuperNEMO
NEMO-3 SuperNEMO
T1/2() >(2- 4)·1024 y<m> < 0.2 – 0.9 eV
T1/2() > 2·1026 y<m> < 40 – 110 meV
Sensitivity
7 kg 100MoT1/2() = 7·1018 y
100 kg 82SeT1/2() = 1020 y
Mass of isotope
Energy resolution(FWHM of the )
FWHM ~ 12% at 3 MeV(dominated by calorimeter ~ 8%)
FWHM ~ 6% at 3 MeV(dominated by source foil)
Efficiency() = 8 %poor energy resolutione backscattering on scintillator
() ~ 40 %
Internal contaminations in the source foils in 208Tl and 214Bi
214Bi < 300 Bq/kg208Tl < Bq/kg
214Bi < 10 Bq/kg208Tl < Bq/kg
Background ~ 2 cts / 7 kg / y
(208Tl, 214Bi) ~ 0.5 cts/ 7 kg /y+ (208Tl,214Bi)
≤ 1 cts/ 100 kg /y
Conceptual Design of 57 Crystal Module
• Conventional vacuum cryostat made with electroformed Cu• Three-crystal tower is a module within a module• Allows simplified detector installation & maintenance• Low mass of Cu and other structural materials per kg Ge
CapCap
Tube (0.007” wall thickness)Tube (0.007” wall thickness)
Ge(62mm x 70 mm)Ge(62mm x 70 mm)
Tray(Plastic, Si, etc)Tray(Plastic, Si, etc)
Cold PlateCold Plate
1.1 kg Crystal 1.1 kg Crystal
Thermal Shroud
Vacuum jacketVacuum jacket
Cold Finger
Bottom Closure1 of 19 Towers
40 cm x 40 cm Cryostat